本文內(nèi)容部分來源于第44期《少年時》讀物，詳情看文末

- 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) -

在盧瑟福提出他的原子模型后，他想進一步研究，原子中心的原子核里面是什么？遺憾的是，正當(dāng)人們開始向原子核世界進軍的時候，卻爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)火燃遍了整個歐洲！

戰(zhàn)爭也影響了整個歐洲科學(xué)界——盧瑟福被迫參加了英國海軍的研究發(fā)展部，致力于潛水艇偵察問題的研究。

1918年大戰(zhàn)剛一結(jié)束，盧瑟福就立刻投身到了原先的工作中。他繼續(xù)用α粒子去轟擊一些元素的原子核，希望α粒子能進入原子核內(nèi)部進行“偵察”，以求早日揭開核世界的秘密。第二年，奇跡出現(xiàn)了——當(dāng)他用α粒子轟擊堅硬而微小的氮原子核時，一些極小的物質(zhì)被“拋”出了，盧瑟福意識到——這些極小的物質(zhì)似乎是氫原子核！

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

他做出了這樣的推測：不同原子的原子核應(yīng)該由氫原子核的聚集體構(gòu)成，這些氫核構(gòu)成一個基本“核子”，是原子核的基本單元。

盧瑟福將其命名為質(zhì)子，而氫原子是最簡單的原子核，由一個帶正電荷的質(zhì)子組成，與電子的負(fù)電荷相反，但是電量相等。

從反應(yīng)中還可以看到，氮核被α粒子轟擊后，能夠生成氧的同位素氧17。從此人們不但知道在原子核中的確存在著同氫核一樣的粒子—質(zhì)子，而且通過核反應(yīng)，人們也能夠把一種元素轉(zhuǎn)變成另外一種新元素！

這的確是核科學(xué)史上難以忘懷的一年，盧瑟福成功地實現(xiàn)了人類有史以來第一次人工核反應(yīng)。通過核反應(yīng)，人們第一次把一種元素轉(zhuǎn)變成另一種新元素，“煉金術(shù)”的夢想終于實現(xiàn)！

他的實驗證明了原子核內(nèi)部有質(zhì)子，但是實驗中卻存在著一些無法解釋的現(xiàn)象——原子的質(zhì)量近似于質(zhì)子質(zhì)量的正數(shù)倍，因此，根據(jù)原子核的電荷量應(yīng)該能推斷出原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。雖然，用這個解釋氫原子核非常合適——帶有一個正電荷，恰好有一個質(zhì)子。

但是，對于氦原子就不好解釋了。氦原子有兩個電子，按理說，核內(nèi)應(yīng)該有兩個質(zhì)子，質(zhì)子與電子的正負(fù)電荷才能正好抵消?？蓡栴}來了——氦原子和重量是氫原子核的4倍，如果氦原子核由4個質(zhì)子構(gòu)成，那多余的兩個正電荷是怎么抵消的呢？

是啊，對于其他更重的原子核就更無法解釋了。為了解釋實驗中存在的矛盾，盧瑟福想到原子核中可能并非只有質(zhì)子這一唯一的基本成分，在質(zhì)子之外還有一種電中性的成分——1920年他在一次演說中談到，既然原子中存在帶負(fù)電的電子和帶正電的質(zhì)子，為什么不能存在不帶電的“中子”呢?

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

最終確認(rèn)這種新粒子存在的是盧瑟福的一名學(xué)生——詹姆斯·查德威克！

 - 中子的發(fā)現(xiàn) -

時間來到1930年，德國物理學(xué)家博特和貝克用剛發(fā)明不久的蓋革計數(shù)器，發(fā)現(xiàn)金屬鈹在α粒子轟擊下，產(chǎn)生一種貫穿性很強的輻射，當(dāng)時他們認(rèn)為這是一種高能量的硬γ射線。

1932年居里夫人的女兒和女婿約里奧-居里夫婦重復(fù)了這一實驗，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這種硬γ射線的能量大大超過了天然放射性物質(zhì)發(fā)射的γ射線的能量。同時他們還發(fā)現(xiàn)，用這種射線去轟擊石蠟，竟能從石蠟中打出質(zhì)子來。

約里奧·居里夫婦把這種現(xiàn)象解釋為一種康普頓效應(yīng)。但是打出的質(zhì)子能量高達(dá)5.7MeV，按照康普頓公式，入射的γ射線能量至少應(yīng)為50MeV，這在理論上是解釋不通的。

查德威克把這一情況報告了盧瑟福，盧瑟福聽了后很興奮激動，但他不同意約里奧·居里夫婦的解釋。查德威克很快重做了上面的實驗，不過比小居里夫婦的要更精巧一些——他用α粒子轟擊鈹，再用鈹產(chǎn)生的射線轟擊石蠟里的氫和氮，結(jié)果打出了氫核和氮核。

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

他用儀器測量了被打出的氫核和氮核的速度，并由此推算出了這種新粒子的質(zhì)量。他認(rèn)為，只有假定從鈹中放出的射線是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的粒子（而且還略微重一些），才能觀測到這種現(xiàn)象。

這也排除了γ射線的可能，因為γ射線不具備將從原子中打出質(zhì)子所需要的動量。

查得威克還用別的物質(zhì)進行實驗，得出的結(jié)果都是這種未知粒子的質(zhì)量與氫核的質(zhì)量差不多。由于這種粒子不帶電，所以叫做中子。

由此，盧瑟福關(guān)于中子的預(yù)言被證實！后來更精確的實驗測出，中子的質(zhì)量非常接近于質(zhì)子的質(zhì)量，只比質(zhì)子質(zhì)量重約大千分之一。

- 強相互作用力 -

現(xiàn)在我們知道了，原子核由質(zhì)子和中子組成，在許多科普書甚至物理書上，我們經(jīng)常看到把質(zhì)子和中子畫成一堆堆在一起的圓球，和串葡萄似的。

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

但要提醒大家，這種表現(xiàn)方式其實并不準(zhǔn)確。量子力學(xué)告訴我們，這些粒子實際上是一些波，與所謂的康普頓波長相關(guān)聯(lián)。有人提出粒子是一種空間延伸概念，這個波長與粒子的質(zhì)量成反比，因此電子的波長可能比質(zhì)子大1850倍。所以，我們常看到的圓球形狀的這類圖像就不那么準(zhǔn)確了。

形狀這個詞，本就不適用于量子尺度下的世界——嚴(yán)格來說，原子核是沒有確定的邊界和形狀的，但是由于核子的分布具有中間比較均勻而邊界上僅有一較薄的彌散層的特點，我們就可以近似地把它看成一塊具有一定大小和形狀的核物質(zhì)，外包一層薄皮（彌散層）。

說回來，雖然說“發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的”是人類在對原子結(jié)構(gòu)的研究中前進的一大步——但仍然有重重懸念沒有解開，比如：這些物質(zhì)究竟是如何粘聚在一起，并且保持穩(wěn)定的呢？

這個問題其實很有趣：玩過磁鐵的人都知道“同性相斥”的道理——那照理說，原子核內(nèi)帶正電的質(zhì)子，因為“同性”也會產(chǎn)生互相排斥的靜電力。由于靜電力的大小強度與距離的平方成反比，質(zhì)子在原子核中又挨得如此之近，這個斥力應(yīng)該非常非常大才對?？涩F(xiàn)實中，這些質(zhì)子為何又如此“團結(jié)”呢？

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

是靠“強相互作用力”！這是一種非常強大的吸引力，才能確保原子核粘聚在一塊兒。不過，這種力的的作用范圍很有限，只能在很短的距離內(nèi)起作用，其作用范圍在10^-15m范圍內(nèi)。

原子核的尺度！并且同時作用于質(zhì)子和中子。相比之下，電磁力和萬有引力的作用范圍可以“無限”的。但強相互作用力（強力）在起作用的范圍內(nèi)，力量又是極其可怕的——可達(dá)到引力的10^39倍，電磁力的137倍！

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

這個力如此之強，所以要砸開原子核，或者說想要從中砸出些單個的質(zhì)子或中子，得需要多大的外力才行？！而又該怎么砸呢？

- 原子炮的發(fā)展 -

所以，繼續(xù)轟擊原子核，而且得用更高能的粒子！其實，自從盧瑟福利用α射線實現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)后，物理學(xué)家就認(rèn)識到，要想認(rèn)識原子核必須和粒子進行同步的研究。而要想更好地認(rèn)識原子核，就必須用高速粒子來轟擊原子核。

作為炮彈用來轟擊的α粒子是來自天然放射性元素鐳的衰變產(chǎn)物。因它能量較小，所以只能與氮、鎂和鋁等少數(shù)輕元素發(fā)生核反應(yīng)。另外在實驗中發(fā)現(xiàn)許多α粒子都毫無目標(biāo)向四面八方亂射。這就好像劣等炮手操炮時不加瞄準(zhǔn)，盲目發(fā)射炮彈，結(jié)果很少擊中目標(biāo)一樣。

例如，對氮核而言，需用30萬個α粒子才有一個氮核被擊中；同樣，如用鋁核作靶子，則需用12萬5千個α粒子轟擊才有一個鋁核被擊中發(fā)生核反應(yīng)。

由此可知，這種天然放射性所發(fā)射的α粒子命中率實在太低，而且從能量和強度方面看也太弱，因為放射α粒子的鐳鹽實在太少了，當(dāng)時都是以毫克來計量的。所有這些弱點，都嚴(yán)重地影響核反應(yīng)實驗的進行。

但是，科學(xué)家們?yōu)榱私议_原子核內(nèi)部的秘密，就像喜歡拆玩具的小孩那樣，總想把原子核打開來看個究竟。

于是他們就設(shè)法把更多的粒子(如氫核和氦核等)用來作為轟擊原子核的炮彈，并把它們裝填在能產(chǎn)生極快速度，又能按照指定方向發(fā)射的“原子炮”中，以準(zhǔn)確命中更多的原子核，產(chǎn)生各種各樣的核反應(yīng)。1928年，生于俄國的美國物理學(xué)家蓋莫夫提出了用質(zhì)子替代α粒子作為炮彈的設(shè)想。

這是一個很棒的想法——由于質(zhì)子本身所帶的電荷少，因此與核相互作用的靜電斥力也小。另外，質(zhì)子也比較容易取得，只要把普通的氫原子剝?nèi)ヒ粋€電子后就成為質(zhì)子。這樣帶正電荷的質(zhì)子又能方便地被電場加速，使它的能量能大大地提高。

為此，物理學(xué)家會同機械設(shè)計師一起開始設(shè)計制造這種能夠加速粒子的機器，人們習(xí)慣上稱它為“粒子加速器”或“原子炮”。

1930年前后，第一臺粒子加速器誕生了——它利用高壓電極上的高電勢，對離子源所發(fā)射的質(zhì)子流，在抽真空的加速管中被加速，最后打在靶子上，同靶原子核發(fā)生核反應(yīng)。

這實際上是一臺倍壓加速器，當(dāng)時他們在五級加速電極之間加上80萬伏高電勢，獲得了能量約為70萬電子伏特的質(zhì)子流。

1931年，而另外一種誕生于美國，他突破了倍壓加速器在高電壓上的限制。這種加速器具有加速能量高、束流品質(zhì)好、能量穩(wěn)定度高等優(yōu)點。所以一直是原子核物理實驗研究工作不可缺少的工具。

與此同時，其它各種類型的“原子炮”也得到了飛速發(fā)展。其中最著名的是美國物理學(xué)家勞倫斯在1931年設(shè)計制造了第一臺用來加速離子的回旋加速器，這種加速器的效能十分巨大，但回旋加速器卻不能加速質(zhì)量極小的電子。而世界上第一臺用于加速電子的電子感應(yīng)加速器則是在1940年建成。后來又出現(xiàn)了直線加速器，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，1947年人們已經(jīng)開始建造行波電子直線加速器和駐波質(zhì)子加速器。

圖片來源：2018年8月第44期《少年時》

質(zhì)子和電子的速度，被這些機器加速的越來越快，這就意味著，轟開圍觀世界的“炮彈”的威力變得越來越大！

除此之外，前面提到的中子的發(fā)現(xiàn)，也為科學(xué)家們提供了更好的彈藥——畢竟，我們一直在說，原子內(nèi)的世界其實空空蕩蕩，威力再大的炮彈，要命中目標(biāo)的概率還是非常低的。往往，千萬發(fā)“炮彈”中只有一發(fā)能命中靶。

加上靶核所帶的正電荷對炮彈有靜電排斥作用，即使把靶子做得很厚使靶核數(shù)大大增加也無濟于事。因為被加速器加速的帶電粒子所攜帶的能量，在靶子的表面層內(nèi)很快被消耗殆盡，僅能深入1毫米后就停止不前了。

這時候，中子的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了——由于中子不帶電荷，所以當(dāng)它深入到原子內(nèi)部時，既不會被電子阻攔，也不會受到核電荷的靜電斥力的排斥。這樣中子就能在原子內(nèi)部暢通無阻，很可能被某個原子核俘獲，產(chǎn)生那些用質(zhì)子或α粒子轟擊時所不能發(fā)生的核反應(yīng)。

因此中子發(fā)現(xiàn)后，物理學(xué)家們就能獲得一種命中率高的轟擊粒子，它被有效地用作為轟擊各種原子核的炮彈，從而成為科學(xué)家們進行核科學(xué)研究的重要工具。

- 粒子物理學(xué) -

在掌握了越來越強大的大炮，以及越來越齊全的各種型號的炮彈后，科學(xué)家們自然是樂此不疲地進行著各種實驗。一個新的物理學(xué)分支也逐漸成形——這就是粒子物理學(xué)！

這是一個研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學(xué)分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們。

這才是我們一直說的“前方高能”的出處啊～由于粒子物理學(xué)的研究方法需要非常高的能量，理論和結(jié)論也往往非常高能，所以“高能”一詞的確非常貼切！

因此粒子物理學(xué)也被稱為“高能物理學(xué)”！而在接下來的一次又一次的轟擊中，越來越多奇奇怪怪的事情出現(xiàn)了，人們也越來越意識到，似乎組成物質(zhì)世界的本質(zhì)，遠(yuǎn)比我們之前以為的更加復(fù)雜！

進入原子系列到此結(jié)束，可是人類對基本粒子的探尋只是剛剛開始，請期待本周五18：00更新的《原來是這樣》，我們將進入原子核的世界，敬請期待……